基于物联网的食用菌大棚智能测控系统设计与实现

2022-08-29万敦，李亚，张宇，李战，张旭

物联网技术 2022年8期

万敦，李亚，张宇，李战，张旭

（河南理工大学，河南焦作 454003）

0 引言

食用菌产业是一项集经济效益、生态效益和社会效益于一体的农村经济发展项目，发展食用菌产业符合人们消费增长和农业可持续发展的需要，是农民快速致富的有效途径。我国虽然已逐渐成为食用菌生产的重要产地之一，但与国外食用菌的品质和产量相比还存在一定的差距，主要原因是食用菌生长过程中对不同环境因子的要求非常苟刻。所以，研究调控食用菌大棚环境因子影响其生长的理论和方法，是提升食用菌品质和产量的重点研究方向。

针对食用菌发展情况，本文利用物联网技术与数据分析技术，设计了一套智慧食用菌大棚测控系统，以实现食用菌生长环境的自动控制和设备管理，提高食用菌大棚化种植产量，减少人力物力的消耗，增产增效。

1 系统需求分析与结构设计

1.1 系统需求分析

食用菌大棚的环境具备以下特征：

（1）在特定的生长阶段，环境参数相对稳定；

（2）在特定的生长时间内，室内无光照或少量光照；

（3）具有能够通风换气、保温、保湿的设备，环境控制设备较多（灯、风机、加湿器、窗帘、遮阳系统等）。

针对上述特点,要实现食用菌大棚测控系统需要满足以下条件：

（1）用有能够测量大棚光照强度、温度、湿度、CO等环境参数的监测模块；拥有能够控制灯、风机、加湿器、窗帘、遮阳系统等设备的控制模块。

（2）能够将环境数据发送至网络服务器，对数据进行保存处理，并根据数据特征，对大棚设备做出相应的控制，以实现食用菌大棚环境的自动调节，保持最适宜食用菌生长的环境。

（3）能够对来自大棚的环境参数进行分析，根据不同类型食用菌的生长习性以及环境特点进行模糊化数据处理，实现环境稳定控制。

1.2 系统结构设计

图1为系统总体设计框图。为降低布线成本，提高系统可靠性，采用ZigBee无线通信技术和星状网络拓扑结构进行系统设计。由图1可知，本系统的功能主要分为五部分：

图1 系统总框架示意图

（1）环境参数信息的采集、上传模块；

（2）大棚设备控制系统；

（3）负责环境参数信息采集系统、设备控制系统与服务器进行信息交互的信息网关模块；

（4）环境参数信息的云服务器；

（5）大棚数据的移动端与PC端可视化展示与远程控制设备。

环境信息采集系统：该系统可实现空气温湿度、光照强度、二氧化碳浓度、菌袋温湿度等参数的采集，以及信息无线传输。

网关模块：该模块负责通过ZigBee网络汇集环境信息采集系统发送的环境参数信息，将信息打包发送至服务器，并接收来自服务器的设备控制信息。

设备控制系统：由网关模块将来自服务器的控制信息转发至设备控制系统，并对设备（遮阳系统、喷洒系统、卷帘设备等）做出相应的控制动作。

软件管理系统：可视化系统包括两部分，即PC管理系统与移动端APP，主要实现数据的可视化查看与设备远程控制，并根据环境与气候特点推送相应的管理指导信息。

数据处理决策模型：该系统可将上传至服务器的数据储存至数据库，通过构建决策模型，根据实时数据判断当前环境是否适宜食用菌生长，并对设备进行实时调控。

2 系统设计与实现

2.1 硬件系统设计

本系统硬件主要由多个无线终端节点和网关节点组成，终端节点与网关模块均采用CC2530芯片作为核心处理器，利用基于Ti公司开发的Z-Stack 协议栈实现星形 ZigBee网络拓扑进行无线通信。

Z-Stack工作时，系统初始化并启动OSAL，进入任务轮循等过程。Z-Stack 系统运行流程如图2所示。

图2 Z-Stack系统运行流程

首先利用终端节点采集影响食用菌生长的环境参数因子，并将数据通过ZigBee网络传送至网关模块，网关模块利用MQTT协议将数据实时发送至服务器，服务器端对信息进行处理、储存、分析，并将分析后的数据传送至数据库进行匹配，给出合适的控制方案。之后将控制指令信息回传至网关模块，进而控制设备的控制系统。

2.1.1 环境信息采集系统

环境信息采集系统由基于ZigBee网络的无线感知传感器节点组成，该节点由3.7 V锂电池供电，采用CC2530作为核心控制器，外接空气温湿度传感器（SHT30，工作温度范围为-40～125 ℃，湿度范围为0%RH～100%RH，高精度防水防尘，IC通信总线连接）、光照强度传感器（BH1750FVI，光照范围0～65 535 Lux，IC通信总线连接）、红外二氧化碳传感器（JXM-CO，二氧化碳浓度范围为0～50 000 ppm，UART通信总线连接）等测量模块。系统实时监测数据，并将数据转发。

2.1.2 设备控制系统

设备控制系统包含多个无线控制终端节点，该节点由微处理器外接继电器进行设备控制。在食用菌的大棚化生产过程中，通过ZigBee无线控制终端节点将环境调控设备（洒水设备、遮阳设备、温控设备、补光设备、换气设备、卷帘设备等）纳入物联网系统，实现无线自动化智能调控。

2.1.3 网关模块

网关模块汇集并上传环境信息采集系统采集的数据，接收并转发来自服务器的设备控制指令。网关模块由CC2530和ME3616模块组成。

ME3616是一款支持NB-IoT通信标准的窄带蜂窝物联网通信模组，该模组具有低速率、低功耗、远距离等优点，支持多种网络协议（CoAP、TCP/UDP、MQTT）和多种低功耗模式（PSM、eDRX）。在NB-IoT制式下，该模块可以提供最大66 Kb/s上行速率和34 Kb/s下行速率。

网关模块上电初始化后，创建两条进程，一条进程负责收取环境采集系统的环境信息，然后将数据打包为JSON格式，通过串口连接ME3613模块，利用AT指令将数据发送至服务器，如图3所示；另一条进程负责接收来自服务器的控制指令，当服务器下发控制指令后，ME3616模块通过串口将数据发送至CC2530，CC2530转发给设备控制系统，对设备做出相应的控制，流程如图4所示。

图3 环境参数采集系统和网关模块工作流程

图4 网关模块和设备控制系统工作流程

2.2 软件设计方案

服务器端对来自环境的数据进行保存，根据实时数据，通过决策模型，计算出设备控制最佳方案，并设计网页端与移动端APP可视化软件控制系统。

2.2.1 数据储存决策模型

根据食用菌在不同生长阶段的特性，从数据库匹配出食用菌生长所需的最佳环境参数。设计食用菌生长阶段所允许的环境参数上、下限，利用大棚实时上传的环境数据，实现智能的环境监控以及设备控制，快速纠正偏离的环境参数，模型流程如图5所示。

图5 数据决策模型

2.2.2 软件管理系统设计

食用菌大棚测控软件系统分为PC端与Android APP端，软件系统设计包括身份验证、实时数据、数据统计、设备控制、信息推送等模块，如图6所示。

图6 软件系统设计

身份验证模块用于验证用户身份，确保访问个人数据与信息访问的合法性。

实时数据模块显示食用菌大棚内多节点传感器采集的大棚数据。

数据统计模块将采集的环境参数（温度、湿度、CO浓度、光照强度）以可视化曲线的方式显示，便于用户观察食用菌大棚内的环境，并在分析后做出相应的改进，提高生产食用菌效率。

设备控制模块显示食用菌大棚内环境调控设备的当前状态，可选择设备的控制模式（智能控制或手动控制）。采取智能模式控制时，系统根据数据模糊处理模型给出的控制方案进行动态调控，实现自动化控制。手动模式下，可根据用户实际需求使用软件发出相应的控制指令，设备控制系统获取指令后对大棚调控设备做出相应的控制操作。

信息推送需依据大棚的环境数据信息。我们根据对食用菌大棚最适栽培条件与生长适宜范围的分析，利用大棚环境参数信息与当天天气和季节条件，对大棚设置不同的种植指导推送，便于用户了解大棚状况，根据自主需求对大棚进行调控，实现食用菌最佳生长环境的智能控制。

3 系统测试与结果分析

在实验室模拟食用菌大棚系统，每个食用菌大棚分别安装、准备5～6个传感器节点，1个网关节点，1台PC电脑与可安装APP的手机。

系统测试硬件各节点与网关设备组网成功后，环境采集模块可将空气湿温度、菌袋温湿度、大棚内光照强度和二氧化碳浓度等数据采集并发送至网关节点，网关节点也可连接网络，上传数据并下发指令。网络管理平台与手机APP端对数据进行实时展示，通过点击控制，可快速下发指令，控制设备准确、实时做出相应动作。实验表明，该系统功耗低，稳定性良好，可以满足食用菌生长监控的需求。